语音交互底层技术突破,纳米材料制备新型高灵敏度声学器件

有时,往往新型材料和新器件的诞生,会为蜗行牛步、发展缓慢的技术带来质变的飞跃!1947年12月,美国Bell实验室以肖克利(下图所示)为首的研究小组,研制出第一个点接触型的锗晶体管。


随后,场效应晶体管、集成电路以及微处理器的诞生与发展,为我们的生活带来了翻天覆地的变化。可以说,新材料的不断涌现带来了新物理效应的发现,而随着新物理效应的发现,新器件不断问世,新型器件的诞生又一次次的推进了工艺的进步。就这样,物理学与材料学的结合,以及器件与工艺融合,相互交叉渗透、影响促进,为我们的生活带来一个又一个奇迹。


如今,无论是对语音交互的拾音、环境噪声的监测,还是工业制造中查看铸件损伤,地质水文中的岩体勘探,亦或是使用种种声波仪器对我们人体各个脏器进行健康方面的检查与治疗,都离不开声波探测。可以说,声波探测目前已经应用到,包括环境保护、工业制造、健康医疗、科学研究以及语音交互等各个领域。自然而言,基于各种转换原理,例如压敏电阻,压敏电容,压光以及压电效应等开发的声学器件,也是不计其数。其中,压电声波传感器,尤其是那些采用压电聚合物制造的传感器,在灵敏度和灵活性方面明显区别于其他传感器,尤其是灵活性方面,这类材料可以根据需求处理成不同的几何形状,适用于各种应用场合。然而,大多数压电聚合物需要通过繁琐的处理过程,一般包括机械拉伸和高温高压极化来获得其压电特性,这种方式就需要高耗能,不可避免的提高了成本,所以开拓新工艺,寻找新材料来改善这方面的问题,一直是科学家以及工程技术研究人员不断努力的方向。


一直以来,科学家就非常热衷于使用静电纺丝方法制备压电纳米纤维材料来将机械能转换为电能。那么,什么是静电纺丝法(Electrospinning)呢?其实就是一种特殊的制造工艺,使用高分子流体静电雾化的形式生产纳米级的聚合物纤维。如下图所示,在电场作用下,针头处的液滴会由球形变为圆锥形(即“泰勒锥”),并从圆锥尖端延展得到纤维细丝。这种方式可以生产出纳米级直径的聚合物细丝。


这种方式生产的压电纳米纤维材料表现出卓越的机械能转换电能的能力。然而,对于声电转换的静电纺丝纳米纤维材料的研究数据,却寥寥无几。近来,《Nature Communications》上刊登了一篇关于介绍静电纺丝的压电纳米纤维材料拥有强大的声电转换能力。利用聚偏氟乙烯为模型聚合的传感器器件可以直接将声音传送到纳米纤维层,这种传感器拥有很高的灵敏度,可以准确的区分中低频频率的声波。这些特性使得其非常适合噪声探测。这类静电纺丝纳米纤维材料制备的器件拥有高出商业压电聚偏氟乙烯薄膜材料器件五倍的灵敏度,可以用于开发高性能的声学传感器。


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材料与传感器的制备

通过上述静电纺丝技术制备PVDF纳米纤维直径大概为310±60 nm。X射线衍射和傅里叶变换红外光谱表明PVDF纳米纤维主要含α和β晶相,而β晶相含量高达86%,这里高含量的β晶相有助于机械能与电能之间的转换。


通过在两个透明的聚对酞酸乙二酯(PET)薄膜(厚度为110 μm)中夹杂一层PVDF纳米纤维网来制备声学传感器,其中都是在内侧进行金属溅射。金属涂层表面与纳米纤维层接触的,并作为电极来收集电子信号。下图显示了其具体结构。



为了使得纳米纤维材料直接收集声波,在每层塑料薄膜上都有一个从头至尾的孔设计。下图为测量传感特性的设置。


为了避免测试设备和机械部件振动产生假信号,并非纳米纤维网络产生的信号,这种测试设备和传感器装置被安装在一个重型石材的稳固基座上。通过电化学反应记录其电压变化。从计算机得到的测试数据来看,保持同一个声音级,使用不同频率声波,检测不同声波频率对电压输出的影响,结果显示电压输出随着声波频率的变换而变换。测试了三个声压级水平情况下,除了不同的电压值,基本显示了相似的电压输出趋势。其中,在220 Hz频率获得最大输出电压;当频率在220 Hz以上,电压值有所下降;在400 –1500 Hz的频率范围内,输出出现小幅度波动;当声波频率超过2000Hz,输出电压下降到几乎为零。这表明,此种纳米纤维声学传感器对于中低频率的声波是敏感的。众所周知,可听声频率介于20和20000 Hz,而广泛存在于机场、工业和许多公共场所,以及道路交通噪声污染,主要来自于这一波段,那么监测噪声方面,对比传统传感器就有着成本低廉的强大优势。


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多频率声波的分辨、探测

对于声学传感器,区分多个频率声波的能力至关重要的。为了测试这种传感器的此种性能,研究人员使用双声源产生两个频率的声波,分别为190Hz和260 Hz。传感器的电压输出显示:快速傅立叶变换处理后,在190Hz和260 Hz会出现两个幅度峰值的输出(如下图所示),证明该传感器拥有分辨不同频率声源的能力。不仅如此,使用该装置区分两频率非常接近的声波,结果也显示区分度良好,证明此种声学传感器拥有良好的检测分辨率。


该传感器不仅具有高分辨率的的声波探测能力,还具有录音的潜力。

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小结

使用静电纺丝方法制备的压电纳米纤维材料,不仅具有声电转换的优越性能,还有效降低了成本。根据此材料制备的压电声学传感器,对于中低频的声波是相当敏感的,而且频率分辨力良好。除了对不同频率声波的探测能力,还具有录音的能力。拥有优越的性能,还有便宜的价格,一旦投入到商用,将具有巨大的市场价值。


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